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raphealguo

一次安全可靠的通信 4个回复 专栏 @ 架构

raphealguo 发布于 1 年前

公众号文章一直被运营商各种挟持插广告,今年逐步都切换成HTTPS,前两周再重新梳理了一些HTTPS细节,趁有空整理成文章做个分享。

原文同步在:http://rapheal.sinaapp.com/2015/09/16/https/

Alice与Bob的通信

我们以Alice与Bob一次通信来贯穿全文,一开始他们都是用明文的形式在网络传输通信内容。

Alice与Bob通信

嗅探以及篡改

如果在他们的通信链路出现了一个Hacker,由于通信内容都是明文可见,所以Hacker可以嗅探看到这些内容,也可以篡改这些内容。

嗅探与篡改

公众号的文章之前就遇到很多被挟持篡改了内容,插入广告。

公众号文章挟持案例

加密解密

既然明文有问题,那就需要对明文进行加密处理,让中间人看不懂内容,于是乎要对原来的内容变成一段看不懂的内容,称为加密,反之则是解密。而本质其实就是一种数学运算的逆运算,类似加法减法,例如发送方可以将 abcd...xyz 每个字母+1映射成 bcd...yza,使得原文的字母变成看不懂的序列,而接收方只需要将每个字母-1就可以恢复成原来的序列,当然这种做法规律太容易被破解了,后边会有个案例示意图。

加密解密的本质

对称加密

如果对2个二进制数A和B进行异或运算得到结果C, 那C和B再异或一次就会回到A,所以异或也可以作为加密解密的运算。

XOR运算

把操作数A作为明文,操作数B作为密钥,结果C作为密文。可以看到加密解密运用同一个密钥B,把这种加解密都用同一个密钥的方式叫做对称加密。

对称加密

可以看到简单的异或加密/解密操作,需要密钥跟明文位数相同。为了克服这个缺点,需要改进一下,把明文进行分组,每组长度跟密钥一致,分别做异或操作就可以得到密文分片,再合并到一起就得到密文了。

对称加密-分组

但是这种简单分组的模式也是很容易发现规律,可以从下图看到,中间采用对原图进行DES的ECB模式加密(就是上边提到简单分组的模式)

容易破解VS不容易破解的模式

很明显,原图一些特征在加密后还是暴露无遗,因此需要再改进一把。一般的思路就是将上次分组运算的结果/中间结果参与到下次分组的运算中去,使得更随机混乱,更难破解。以下图片来自维基百科:

对称加密-模式

经过改良后,Alice与Bob如果能提前拿到一个对称加密的密钥,他们就可以通过加密明文来保证他们说话内容不会被Hacker看到了。

Alice与Bob采用对称加密方式通信

非对称加密

刚刚还引发另一个问题,这个对称加密用到的密钥怎么互相告知呢?如果在传输真正的数据之前,先把密钥传过去,那Hacker还是能嗅探到,那之后就了无秘密了。于是乎出现另外一种手段:

危险的环境下传递密钥

这就是非对称加密,任何人都可以通过拿到Bob公开的公钥对内容进行加密,然后只有Bob自己私有的钥匙才能解密还原出原来内容。

非对称加密

RSA就是这样一个算法,具体数学证明利用了大质数乘法难以分解、费马小定理等数学理论支撑它难以破解。相对于前边的对称加密来说,其需要做乘法模除等操作,性能效率比对称加密差很多。

RSA

由于非对称加密的性能低,因此我们用它来先协商对称加密的密钥即可,后续真正通信的内容还是用对称加密的手段,提高整体的性能。

优化Alice与Bob的通信

认证

上边虽然解决了密钥配送的问题,但是中间人还是可以欺骗双方,只要在Alice像Bob要公钥的时候,Hacker把自己公钥给了Alice,而Alice是不知道这个事情的,以为一直都是Bob跟她在通信。

中间人欺骗

要怎么证明现在传过来的公钥就是Bob给的呢?在危险的网络环境下,还是没有解决这个问题。

怎么证明公钥就是Bob的

一般我们现实生活是怎么证明Bob就是Bob呢?一般都是政府给我们每个人发一个身份证(假设身份证没法伪造),我只要看到Bob身份证,就证明Bob就是Bob。
网络也可以这么做,如果有个大家都信任的组织CA给每个人出证明,那Alice只要拿到这个证明,检查一下是不是CA制作的Bob证书就可以证明Bob是Bob。所以这个证书里边需要有两个重要的东西:Bob的公钥+CA做的数字签名。

可信组织

前边说到用公钥进行加密,只有拥有私钥的人才能解密。数字证书有点反过来:用私钥进行加密,用公钥进行解密。CA用自己的私钥对Bob的信息(包含Bob公钥)进行加密,由于Alice无条件信任CA,所以已经提前知道CA的公钥,当她收到Bob证书的时候,只要用CA的公钥对Bob证书内容进行解密,发现能否成功解开(还需要校验完整性),此时说明Bob就是Bob,那之后用证书里边的Bob公钥来走之前的流程,就解决了中间人欺骗这个问题了。
这种方式也是一种防抵赖的方式,让对方把消息做一个数字签名,只要我收到消息,用对方的公钥成功解开校验这个签名,说明这个消息必然是对方发给我的,对方不可以抵赖这个行为,因为只有他才拥有做数字签名的私钥。

内置根CA签名公钥

CA其实是有多级关系,顶层有个根CA,只要他信任B,B信任C,C信任D,那我们基本就可以认为D是可信的。

证书信任链

完整性

上边基本上已经解决了保密性和认证,还有一个完整性没有保障。虽然Hacker还是看不懂内容,但是Hacker可以随便篡改通信内容的几个bit位,此时Bob解密看到的可能是很乱的内容,但是他也不知道这个究竟是Alice真实发的内容,还是被别人偷偷改了的内容。

Alice你在说什么?

单向Hash函数可以把输入变成一个定长的输出串,其特点就是无法从这个输出还原回输入内容,并且不同的输入几乎不可能产生相同的输出,即便你要特意去找也非常难找到这样的输入(抗碰撞性),因此Alice只要将明文内容做一个Hash运算得到一个Hash值,并一起加密传递过去给Bob。Hacker即便篡改了内容,Bob解密之后发现拿到的内容以及对应计算出来的Hash值与传递过来的不一致,说明这个包的完整性被破坏了。 数据完整性

一次安全可靠的通信

总结一下,安全可靠的保障:
1. 对称加密以及非对称加密来解决:保密性
2. 数字签名:认证、不可抵赖
3. 单向Hash算法:完整性

来一张完整的图:

一次可靠的通信

  • skycai

    看起来很厉害的一篇文章,密码学没学过,看得云里雾里

    #1
  • 排插仔

    深入浅出,感谢

    #2
  • 挖煤工人

    最后一张图 有没有可能说Alice收到的是黑客的公钥和数字签名。

    #3
  • FF_Mercurial

    很受用,感谢

    #4
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